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Curso 2008/2009Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 1

Compatibilidad electromagnética

Avances recientes en Física aplicada a la IngenieríaDpto. Física Aplicada III

Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 2/43Curso 2008/2009

Índice

IntroducciónMotivaciones para el diseño EMC

Normativa sobre EMCElementos de un problema de EMC

Supresión de problemas de EMCSubproblemas de EMC

Fuentes de interferencias: clasificaciónCondicionantes y ventajas del diseño para EMCEMC en circuitos impresos


Introducción (I)

Problema: incremento en el uso de equipos eléctricos y electrónicos

Interferencia (EMI): transferencia de energía electromagnética entre equipos

Ejemplo: recepción no deseada en equipos de radio

contaminación electromagnética


Introducción (II)

Compatibilidad electromagnética (EMC): un dispositivo es electromagnéticamentecompatible con su entorno cuando cumple tres reglas:

No provoca interferencias con otros sistemasNo es susceptible a las emisiones de otros

sistemasNo provoca interferencias consigo mismo


Motivaciones para el diseño EMC

Existencia de directivas legalesLímites de emisión

Límites de inmunidad

Satisfacción del consumidor

Prevención de desastres

Objetivos militares

1982: Hundimiento del destructor HMS Sheffield


Normativa sobre EMCOrganismo regulador internacional:

CISPR (International Special Committee on Radio Interference)

EuropeosCENELEC (European Committee for Electrotechnicalstandars)ETSI (European Telecommunications Standards Institute )

USA:FCC (Federal Communications Commission)

VDE en Alemania, BSI en UK, DOC en Canadá…


Normativa sobre EMC

Actualmente en Europa (desde 1996): normativa 89/336/EEC

Establece límites de emisión e inmunidad

Objetivos:Eliminar barreras comerciales dentro de la CEE debidas a diferentes normativas

Incrementar control sobre la contaminación electromagnética


Ejemplo: gráfica límite emisiones


Elementos de un problema EMC

Camino:ConducciónAcoplo inductivo: campo magnéticoAcoplo capacitivo: campo eléctricoRadiación: campo electromagnético

FuenteReceptor (víctima)camino

no siempre fácilmenteidentificables


Supresión de problemas de EMC

Identificar al menos dos de los elementos

Eliminar o atenuar uno de ellos

Ejemplo: planta nuclear con fallos en las válvulas de control de la turbina

Víctima: las válvulas de la turbina

Fuente: “walkie talkies” usados por los empleados

Camino: desconocido

Solución: eliminar la fuente


Supresión de problemas de EMC

Orden recomendable de actuación:Supresión de la emisión de la fuente

Ejemplo: aumento de tiempos de subida en circuitos digitales

Disminución de la eficiencia del caminoEjemplo: apantallamientos metálicos

Disminución susceptibilidad del receptorEjemplo: códigos de corrección de errores óredundancias en circuitos electrónicos


Subproblemas de EMC

Cualquier problema de EMC puede incluirse en uno o varios de estos:

Emisiones radiadas

Susceptibilidad a emisiones radiadas

Emisiones conducidas

Susceptibilidad a emisiones conducidas


Fuentes de interferencias

Fuentes naturalesRayosSolar y cósmico

Fuentes de origen humanoDescargas electrostáticas (ESD)Explosiones nuclearesSubsistemas eléctricos y electrónicosVariaciones en la tensión de alimentaciónTransmisiones de radio y TV


Fuentes naturales: rayos

Caída directa de rayos: sobretensionesDifícil protección para equipos cercanos

Efectos indirectos: El canal del rayo transporta una corriente (≈ 50000 A) rápidamente variable que actúa como una antena: ruido atmosférico

Acoplo directo con los campos EM radiadosInterferencias conducidas por la red de alimentación


Fuentes naturales: origen solar y cósmico

Significativo a partir de 20 MHzRuido térmico: 3-30 GHzRuido galáctico: 150-200 MHz

Procede mayoritariamente de Sagitario Ruido solar

Procede de las manchas solaresCambios en las condiciones de reflexión y transmisión en la ionosferaProblemas en la transmisiones de radio (2-35 MHz) y satélites (150-500 MHZ)


Descargas electrostáticas (ESD)

Acumulación de carga estática que se transfiere a un dispositivo electrónico. Efectos:

Pulso de corriente: puede dañar al equipo.

Onda EM que proviene del arco voltaico: fenómenos de interferencia.

Ejemplos de fenómenos debidos a ESD:Explosiones en superpetroleros durante limpieza de los tanques

Explosiones en repostado de coches y aviones


Pulso electromagnético nuclear (EMNP)

Una explosión nuclear genera una onda electromagnética muy intensa y de corta duración (pulso electromagnético).Provoca destrucción de dispositivos semiconductoresImposibilita acciones defensivas o de represalia Problema de susceptibilidad a emisiones radiadasMuy importante desde el punto de vista estratégico y militar


Subsistemas eléctricos y electrónicos

Son la fuente más común de interferencias tanto radiadas como conducidasCausas más comunes:

Sistemas digitales: trenes de pulsos de alta frecuenciaSistemas analógicos: circuitos osciladores de alta frecuencia

Circuitos de conmutación e interruptores electromecánicos: arco voltaico


Variaciones en la tensión de alimentación

Variaciones de baja frecuenciaSobrevoltajes y valles

Distorsiones de la onda sinusoidalEjemplo: Normas para electrodomésticos permiten 6% distorsión

Caídas de tensiónTransporte de señales de alta frecuencia por:

Conmutaciones en el sistema de acondicionamiento de potenciaInterferencia de señales de radio frecuencia: Los cables de alimentación actúan como antenas


Condicionantes en el diseño EMC

Coste económico del producto

Aceptación del productoCuestiones prácticas (peso,

manejabilidad,…)

Cuestiones estéticas

Fácil manufactura del producto

Tiempo de desarrollo del nuevo producto


Ventajas del diseño EMC

Minimiza costes adicionalesElementos de correcciónRediseño

Mantiene el tiempo de desarrolloAsegura el correcto funcionamiento del dispositivo Ejemplo: inclusión de conexiones para posibles dispositivos correctores (R,C) en el “layout” de un circuito impreso

Curso 2008/2009Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 22

EMC en circuitos impresos

Avances recientes en Física aplicada a la Ingeniería


Líneas planas

Estructuras de guiado de campos

Guías de onda

Líneas de transmisión

Guía rectangular Guía circular

Cable coaxial

Línea microtira

Línea coplanar Línea ranurada

Línea triplaca


Líneas de transmisión planas

VentajasLigerosPequeños: miniaturizaciónFáciles de fabricar: baratos

Inconvenientes:Pérdidas relativamente altas Susceptibilidad a campos externosPosible emisión de radiación (especialmente microtira)

Línea microtira

Línea coplanar

Línea ranurada

Línea triplaca


Líneas de transmisión planas

Ventajas muy interesantes para:

Circuitos de microondas: 300MHz - 300GHzLongitud de onda comparable a las dimensiones de los circuitos

Circuitos digitales: tiempos de subida y bajada muy cortos

La señal contiene armónicos de alta frecuencia

Teoría de circuitos no es válida para análisis: teoría de líneas de transmisión – análisis de onda

completa


Breve descripción del método

Análisis de onda completa: no modelo de circuitosMétodo de la ecuación integral:

Expresar los campos a partir de funciones de GreenImponer condición de contorno sobre conductorAproximar las corrientes como suma de funciones baseResolver ecuación para los coeficientes del desarrollo

w

h �r

z x

y


Problema de partida

El análisis de onda completa de circuitos tipo microstripmuestra la existencia de soluciones radiantes

Modos “leaky” ó modos de fugaOnda residual

La interferencia de estos modos radiantes con los propagativos provoca oscilaciones y atenuación de la señal en la línea a altas frecuencias (efectos espurios)La influencia real de las soluciones radiantes no puede deducirse de un análisis bidimensionalIdea: incluir modelo realista de la fuente en el análisis


Resultado

Predicción de efectos espurios

7

7.2

7.4

7.6

7.8

8

8.2

8.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8

|I| (

mA

)

z/λ0

TC: corriente total

BM: modo ligado1 2 1

10.2

20r

mm

GHz

w w h

f

= = =ε ==

w

h �r

z x

y


Crosstalkproblema analizado:

Cuando hay una línea adyacente a la línea excitada se puede inducir una corriente de acoplo ó “crosstalk”La teoría de líneas de transmisión (TLT) no tiene en cuenta los efectos radiativosIdea: analizar la corriente de acoplo para tratar de determinar la importancia relativa de la contribución de los fenómenos de radiación

1VI 1 (z)

I 2 (z)

sw1

w2

+-

z

x


Resultados: bajas frecuencias

0 1 2 3 4 5 6 7 8

z / λ0

0.0005

0.0015

0.0025

0.0035

0.0045

0.0055

Am

plit

ud

e (m

A)

0.1 GHzI1 (exact)I1 (TL theory)I2 (exact)I2 (TL theory)

I1

I2

Concordancia entre TLT y nuestro análisis a bajas frecuencias

1 2 1

2.2r

mmw w h= = =ε =


Resultados: altas frecuencias

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

z/λ0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Am

plit

ud

e (m

A)

I2 current1 GHz10 GHz20 GHz40 GHzTLT

Efectos espurios a frecuencias altas


Resultados: componentes de I2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Am

plit

ud

e (m

A)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

z/λ0

I2 at 20 GHzTCBMCS

Contribución de los efectos radiativos a una frecuencia 20 GHz


Resultados: componentes de I2

Contribución de los efectos radiativos a una frecuencia 40 GHz

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Am

plit

ud

e (m

A)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

z/λ0

I2 at 40 GHzTCBMCS


ConclusiónLos fenómenos debidos a la radiación son importantes a frecuencias altas

Provocan efectos espurios en la corriente de la líneaAparecen también en las corrientes de acoplo

Estos efectos no pueden predecirse usando la teoría de líneas transmisiónEl programa desarrollado permite estudiar su importancia en función de diferentes parámetros: permitividad del dieléctrico, anchura de las líneas, separación…

Utilidad en el diseño de circuitos digitales y analógicos de alta velocidad


Propagación de un pulso

Se trata de estudiar la distorsión de la señal en el dominio del tiempo

Exige hallar la corriente en la línea de transmisión para un gran número de frecuencias y usar después un algoritmo de transformada rápida de fourier (FFT) para calcular la transformada inversa.


Covered microstrip

El packaging de los circuitosintroduce planos de masasobre las estructuras microstrip.Su efecto es reducir la frecuencia a la que aparecen modos de fuga.

Se espera entonces que los efectos espurios debidos a radiación sean más importantes

En efecto, la energía se divide y es transmitida por el modo ligado y por el modo de fuga, pero a distinta velocidad: el pulso se “desmorona”


Resultados para covered microstrip

Señal de entrada: pulso Gaussiano


Microstrip normal (sin top cover):Pulso de 20 ps

W=h=1 mmεr=2.2


Covered microstrip (I)W=h=1 mmhc=0.455 mmεr=2.2


Covered microstrip (II)W=h=1 mmhc=0.455 mmεr=2.2


PublicacionesJ.Bernal, F.Mesa, F.Medina; 2-D analysis of leakage in printed circuit lines using discrete complex-image technique.; IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques; Vol.50, pp.1895-1900, Agosto 2002

J.Bernal, F.Mesa, D.R.Jackson; Crosstalk between two microstrip lines excited by a gap voltage source.; IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques; Vol.52, pp.1770-1780, Agosto 2004

J. Bernal, F. Mesa, D.R. Jackson, Effects of Dielectric and Conductor Losses on the Current Spectrum Excited by a Gap Voltage Source on a Printed-Circuit Line,' 2006 IEEE MTT-S International MicrowaveSymposium, (San Francisco, CA, EEUU), June 11-16, 2006, pp. 1307-1310. J.Bernal, F.Mesa, D.R.Jackson, Effects of Losses on the CurrentSpectrum of a Printed-Circuit Line; IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques; Vol.55, pp.1511-1519, Agosto 2007


Trabajos propuestos

Conceptos básicos en integridad de la señal:Dispersión, atenuación, reflexiones, ringing, crosstalk…

Comportamiento no ideal a altas frecuencias de componentes pasivos: resistencias, condensadores y autoinducciones.

Apantallamiento: mecanismos de apantallamiento y efectividad de apantallamiento (shielding effectiveness)


BibliografíaIntroduction to Electromagnetic Compatibility, C.R. Paul, John WileyInterscience, NY, second edition, 2006.Electromagnetic compatibility: principles and applications, David A. Weston, New York, Marcel Dekker, 1991Fundamentos de Compatibilidad electromagnética, J.L.Sebastián,Addison-Wesley, 1999Engineering Electromagnetic Compatibility V. Prasad Kodali, IEEE Press, 1996.Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, second edition, H.W. Ott, John Wiley Interscience, NY, 1988.E.Bogatin, Signal Integrity Simplified, NJ:Prentice-Hall, 2004.D.Brooks, Signal integrity Issues and Printed Circuit Board Design, NJ:Prentice-Hall, 2003.

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